Das Exopolysaccharid Curdlan ist in der Industrie von Nutzen (z. B. Arzneimittel, Lebensmittel, Biokunststoffe, Baumaterial). Aber warum stellen bestimmte Mikroben es her? Wie hilft es beim Überleben? Dieses Wissen könnte nützlich sein, um die Bakterien zu veranlassen, noch mehr Curdlan zu produzieren, oder um die Produktionskosten zu senken.
Dieses Schema zeigt das Bakterium, Agrobacterium tumefaciens, in seiner natürlichen Umgebung. A. tumefaciens ist ein bekannter Pflanzenkrankheitserreger, der auf einer Vielzahl von Pflanzen wächst. Als Teil seines normalen Überlebensversuchs bildet das Bakterium eine Mikrokolonie auf der Oberfläche des Pflanzengewebes. Curdlan ist eines der Moleküle, die das Bakterium produziert und die wichtig sind, um die Zellen zusammenzuhalten, eine Art klebriger Leim.
Kürzlich entdeckte ich eine weitere Verwendung für Curdlan, welche völlig unerwartet war.
Zunächst wurden die A. tumefaciens-Zellen gentechnisch so verändert, dass sie einen Reporter tragen, ein spezielles Protein, das den Zellen eine leuchtend gelbe Farbe verleiht. Das Ziel des Reporters ist es, nur die Zellen zu markieren, die aktiv Curdlan produzieren.
Anschließend wurden die Zellen in ein Gel (1% Agar) gegeben, das alle Nährstoffe (z.B. Glukose) enthält, die sie für ein optimales Wachstum benötigen. Auf der Ober- und Unterseite des Gels befindet sich Glas, das eine wirksame Barriere bildet (die eine Austrocknung verhindert) und mikroskopische Untersuchungen ermöglicht. In dieser Umgebung können einzelne isolierte Zellen zu Mikrokolonien von Tausenden von Zellen heranwachsen.
Dem Gel ist ein Farbstoff namens Anilinblau beigefügt. Der Zweck der Zugabe von Anilinblau ist es, das Curdlan sichtbar zu machen. Dieser Farbstoff bindet nur an Curdlan und gibt unter UV-Licht eine rote Fluoreszenz ab. Mit dieser Färbung ist es möglich (in hochauflösenden Fotos) zu sehen, dass Curdlan in Form einer Kapsel produziert wird, einer Schicht, die den gesamten Zellkörper bedeckt.
Nach 3 Tagen Wachstum zeigte die Mikrokolonie ein höchst ungewöhnliches Phänomen. Einige der Zellen, die Curdlan ( leuchtend gelb) produzieren, verließen die Mikrokolonie und traten in das umgebende Gel ein. Bei dieser Bewegung scheinen sie ihre Curdlan-Kapsel zurückgelassen zu haben, wie ein Feuerwerk oder eine Rakete.
Diese Beobachtung führte zu der Vermutung, dass Curdlan nicht nur die Mikrokolonie auf der Pflanzenoberfläche stabilisiert, sondern es auch einigen Zellen ermöglicht, aus dem Biofilm zu entkommen und andere Pflanzenoberflächen aufzusuchen. Möglicherweise setzt die wachsende Curdlan-Kapsel die Zellen unter Druck. Dieser Druck wird bei der Extrusion der Zelle abgebaut. Das Curdlan verbleibt im Biofilm, während die neu entkommene Zelle frei ist, um andere Oberflächen zu besiedeln. Curdlan könnte also der Schlüssel für das sein, was unter Mikrobiologen als Dispersionsstadium bekannt ist, d. h. die Ausbreitung aus dem Biofilm. Diese Bedingungen sind jedoch künstlich. Die Nährstoffe waren künstlich. Produziert das Bakterium überhaupt Curdlan in einer realen Umgebung?
Produziert A. tumefaciens Curdlan, wenn es auf Pflanzenextrakten wächst? Bei der Produktion für die Industrie in großen Fermentern wird der Industriestamm (Agrobacterium sp. 31749) mit einer Mischung aus Salzen und Zuckern (z. B. Glukose) gefüttert. Wie bereits erwähnt, ist Anilinblau ein ausgezeichneter Indikator für die Curdlan-Produktion. Es kann jedem Wachstumsmedium zugesetzt werden. Unter normalem Licht leuchtet Anilinblau in Anwesenheit von Curdlan intensiv blau.
Das Wachstum auf diesen Platten zeigt, dass eine Reihe von Agrobacterium-Stämmen, sowohl der Wildtyp (C58) als auch der Industriestamm (31749), Curdlan lieber aus Pflanzenextrakt als aus Glukose produzieren. Diese Ergebnisse unterstützen die Idee, dass Curdlan unter natürlichen Bedingungen, d. h. während der Bildung von Mikrokolonien auf der Oberfläche von Pflanzengewebe, produziert wird.
Dieses Ergebnis zeigt auch einen weiteren wichtigen Punkt. Durch eine genetische Veränderung der Regulierung der Curdlan-Produktion können die Zellen so „fixiert“ werden, dass sie mehr Curdlan produzieren, und zwar aus einer potenziell billigeren Quelle – rohen Pflanzenextrakten. Diese Erkenntnis hat ein ausgezeichnetes kommerzielles Potenzial.
Die weltweite Nachfrage nach Curdlan, zum Beispiel in verschiedenen Lebensmitteln wie Snacks, steigt. Obwohl es einen hohen Energiegehalt hat (ein Polymer mit bis zu 500 Glukoseeinheiten), kann Curdlan im menschlichen Darm nicht verdaut werden. Daher trägt es zu den Ballaststoffen in der Ernährung bei. Der Vorteil der Zugabe von Curdlan zu verschiedenen Lebensmitteln (in der Regel in einer Menge von 1-2 %) besteht darin, dass es ein cremiges Gefühl im Mund erzeugt, geschmacksneutral ist und die Haltbarkeit verschiedener Lebensmittel verlängert (in der Regel durch Verhinderung von Oxidation und Austrocknung).
Die gentechnisch veränderten Stämme, die ich im Labor entwickelt habe, haben verbesserte Produktionsraten und benötigen kürzere Fermentationszeiten. Sie haben auch den Vorteil, dass sie bei der Auswahl ihrer Nahrung weniger selektiv sind, was bedeutet, dass sie eine viel größere Vielfalt an Lebensmitteln zur Herstellung von Curdlan verwenden können.
Wichtige Punkte:
- Curdlan ist ein lineares, unverzweigtes Polymer aus Glukoseresten mit bis zu 500 Einheiten.
- Anilinblau ist ein Farbstoff, der spezifisch an Curdlan bindet.
- Die Curdlan-Produktion wird während des Wachstums auf Pflanzenextrakt erhöht.
Welche Rolle spielt Curdlan in der Lebensführung von Agrobacterium?
Neue Beobachtung: Die Produktion und Ablagerung von Curdlan in Form einer Kapsel ermöglicht es einigen Zellen, aus der Mikrokolonie zu entkommen, indem sie ihre Curdlan-Kapsel abwerfen – wie Raketen.